移动式深海养殖监控系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种移动式深海养殖监控系统，包括主控制电路终端、水声通信模块、远程主监控中心终端、远程3G手机监控终端、水下无线传感器网络定位模块和水下移动监测终端；本发明利用水下航行器的特点，实现对环境参数的移动式动态监测，解决传统方式中只能定点区域定点监测的不足；本发明除了能实现海水上表面区域的环境参数监测，还能通过水下移动监测平台实现对养殖区域内深海区的环境参数监测；本发明通过将3G通信技术与UWSN技术相结合，解决了海上远程监控终端与海下移动监测平台之间的数据传输问题；航行器的自动寻路功能利用了UWSN的定位功能，对移动监测平台的定位精确。
【专利说明】移动式深海养殖监控系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种渔业养殖监控系统，尤其涉及一种基于3G通信与UWSN技术的移动式深海养殖监控系统。
【背景技术】
[0002]我国是一个海洋大国，有着非常广阔的海洋面积与漫长的海岸线，极其适合发展深海网箱养殖技术。国外的深海养殖起步较早，技术先进，有着一套完善的生产管理体系，深海养殖也正在向集约化、规模化、产业化的方向发展。由于深海养殖水域的水质参数直接影响着海洋生物的生存，然而海洋环境的多样性、多变性给深海养殖技术带来了困难，因此，对深海养殖环境参数的监测已成为一种急需研究的课题。由于我国深海养殖起步较晚，技术落后，很大程度上仍然依靠人工实现监测，不能实时监控环境参数，必然会造成工业损失，同时费时费力，增加养殖成本。因此，一种能够实时监测养殖环境并进行控制的监控系统成了迫切的需要。
[0003]水下无线传感器网络(UWSN)是使用微型节点随机布放到目标水域，节点通过水声通信方式形成的一个多跳的自组织网络，感知、采集和处理网络覆盖区域中对象的信息并发送给接收者。专利文献“CN102866678A”中所提出的网箱远程监控系统只是涉及对于海洋养殖区定点区域的环境监测，并不能实现对养殖区域内环境的移动动态监测，并且只实现了海水上表面区域的环境参数监测，不能监测深海区的环境。由于海洋环境的复杂，不同深度水域海水的环境相差很大，所以，对海洋不同深度水域环境的实时、准确监测能够为深海立体养殖提供保障。如果基于UWSN的技术对现有方法进行改进，通过UWSN对水下移动监测平台进行动态跟踪定位，确定移动监测平台在水下区域的准确位置，从而获得此区域的环境参数将是一种大有应用前景的移动式深海养殖监控系统。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种移动式深海养殖监控系统，除了能实现海水上表面区域的环境参数监测，还能通过水下移动监测平台实现对养殖区域内深海区的环境参数监测。
[0005]本发明的目的通过以下技术方案予以实现:
[0006]一种移动式深海养殖监控系统，包括主控制电路终端1、水声通信模块2、远程主监控中心终端3、远程3G手机监控终端4、水下无线传感器网络定位模块5和水下移动监测终端6 ;所述主控制电路终端I包括主控制电路模块11、视频监控模块12、3G通信模块13和执行机构模块14，所述主控制电路模块11的RS232串口通信端连接到视频监控模块12的RS232串口通信端，所述主控制电路模块11的RS232串口通信端连接到3G通信模块13的RS232串口通信端，所述主控制电路模块11的RS232串口通信端连接到执行机构模块14的RS232串口通信端；所述水声通信模块2为一水声通信机，所述水声通信模块2的RS232串口连接到主控制电路终端I的主控制电路模块11的RS232串口端；所述主控制电路终端I中的3G通信模块13与远程主监控中心终端3、远程3G手机监控终端4通过3G网络的方式相连；所述水下无线传感器网络定位模块5由多个水下无线传感器网络节点组成，水下无线传感器网络定位模块5的主节点51的串口输出端连接到水声通信模块2的RS232串口端；所述水下移动监测终端6包括传感器模块61、数据采集模块62、数据存储器模块63、水下调制解调器模块64、控制器模块65、电源模块66与水下航行器执行机构模块67，所述传感器模块61的输出端连接到数据采集模块62的输入端，数据采集模块62的输出端与数据存储器模块63的输入端相连，所述控制器模块65分别与数据采集模块62、数据存储器模块63、水下调制解调器模块64、电源模块66、执行机构模块67的端口相连；所述水下移动监测终端6集成于在水下自由航行的水下航行器中，所述水下无线传感器网络定位模块5中的各个节点与水下移动监测终端6之间采用水下无线通信技术实现通信。
[0007]与现有技术相比，本发明的有益效果是:利用水下航行器的特点，实现对环境参数的移动式动态监测，解决传统方式中只能定点区域定点监测的不足；本发明除了能实现海水上表面区域的环境参数监测，还能通过水下移动监测平台实现对养殖区域内深海区的环境参数监测；本发明通过将3G通信技术与UWSN技术相结合，很好的解决了海上远程监控终端与海下移动监测平台之间的数据传输问题；航行器的自动寻路功能主要利用了 UWSN的定位功能，对装载于水下航行器内的移动监测平台的定位精确。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是本发明监控系统的整体框图；
[0009]图2是水下移动监测模块框图；
[0010]图3是主控制电路终端结构组成图；
[0011]图4是系统监控终端功能界面图；
[0012]图5是系统工作流程图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0014]如图1所示是本发明深海养殖监控系统的整体示意框图，监控系统总体分为两个部分:即海下监控部分与海上监控部分。
[0015]移动式深海养殖监控系统包括主控制电路终端1、水声通信模块2、远程主监控中心终端3、远程3G手机监控终端4、水下无线传感器网络定位模块5和水下移动监测终端6 ；如图3所示，所述主控制电路终端I包括主控制电路模块11、视频监控模块12、3G通信模块13和执行机构模块14，所述主控制电路模块11的RS232串口通信端连接到视频监控模块12的RS232串口通信端，所述主控制电路模块11的RS232串口通信端连接到3G通信模块13的RS232串口通信端，所述主控制电路模块11的RS232串口通信端连接到执行机构模块14的RS232串口通信端；所述水声通信模块2为一高效的水声通信机，采用声学带宽扩频技术，能够有效解决在水下通信领域中广泛存在的低可靠性、低速率和高功耗的问题，所述水声通信模块2的RS232串口连接到主控制电路终端I的主控制电路模块11的RS232串口端；所述主控制电路终端I中的3G通信模块13与远程主监控中心终端3、远程3G手机监控终端4通过3G网络的方式相连；所述水下无线传感器网络定位模块5由多个水下无线传感器网络节点组成，水下无线传感器网络定位模块5的主节点51的串口输出端连接到水声通信模块2的RS232串口端；如图2所示，所述水下移动监测终端6包括传感器模块61、数据采集模块62、数据存储器模块63、水下调制解调器模块64、控制器模块65、电源模块66与水下航行器执行机构模块67，传感器模块61包括海水温度、PH值与溶解氧等传感器组成，完成对养殖区养殖环境参数的获取；数据采集模块62完成监测参数的采集，数据存储器模块63完成数据的保存；水下调制解调器模块64主要完成信号的水下发送与接收；电源模块66提供电量；水下航行器执行机构模块67实现航行器的水下航行作用；控制器模块65则协调所有模块的执行；所述传感器模块61的输出端连接到数据采集模块62的输入端，数据米集模块62的输出端与数据存储器模块63的输入端相连,所述控制器模块65分别与数据采集模块62、数据存储器模块63、水下调制解调器模块64、电源模块66、执行机构模块67的端口相连；所述水下移动监测终端6集成于在水下自由航行的水下航行器中，所述水下无线传感器网络定位模块5中的各个节点与水下移动监测终端6之间采用水下无线通信技术实现通信。
[0016]本发明对所述的水下移动监测终端创新的采用了主动与自动两种模式实现对养殖区环境的移动式监测。主动模式下，远程监控终端可以通过人工发送航行指令控制航行器的运动方向，从而实现航行器的主动式控制；自动模式下，远程监控终端只需给航行器发送监测区域的位置参数，航行器利用现有的寻路算法，实现自动寻路的功能。航行器的自动寻路功能主要利用了 UWSN的定位功能，水下无线传感器网络(UWSN)定位模块5主要由若干个子节点与一个汇聚节点(主节点)组成；水下无线传感器网络定位模块5的汇聚节点获得水下移动监测终端6测得的参数及每个子节点对水下移动监测终端6的方位信息，并通过水声通信模块2发送给主控制电路终端1，利用现有的的定位算法能够实现对移动监测平台的精确定位。UWSN完成对航行器的定位作用并将其位置参数发送给处理模块，通过将当前位置参数与监控终端设定的位置参数比较，不断调整运动的方向，从而实现航行器的自动寻路的过程，航行器的自动模式可以在减轻人力的同时完成更精确的运动。
[0017]本发明中，在如上所述的水下无线传感器网络定位模块5实现对水下移动监测模块6进行精确定位的过程中，通过在现有定位算法的基础上提出了一种新的目标定位算法:一种基于DOA的粒子群牛顿迭代算法，第一步通过将测得的目标角度方位参数利用粒子群算法找到一个在所有数据组中最为精确地一个数据；第二步部则在第一步取得的优化数据的基础上利用牛顿迭代算法进一步优化定位数据，得到最优结果。
[0018]所述主控制电路模块11是本发明监控系统的核心模块，本发明选择了基于S3C6410的ARMll内核处理器，并安装了嵌入式Linux操作系统，再配上必要的外围接口电路就能够完成处理功能。将3G通信模块13、执行机构模块14与视频监控模块12连接到主控制电路模块11上，通过视频监控模块12能够实现对现场环境的实时监测；远程监控终端控制执行机构模块14来改变养殖区海水中的PH值、溶解氧等参数；3G通信模块通过3G通信网络实现与远程主监控中心终端3、远程3G手机监控终端4的连接；将水声通信模块2发送来的信息进行处理，计算出水下移动监测终端6的方位信息，然后通过3G网络发送给远程监控终端显示，同时主控制电路终端I接受远程监控终端通过网络发送的指令，实现对监控系统中各模块的控制；本发明中，对于主控制电路终端的安装方式利用了浮标的功能，将其安装在浮标之上，既方便也可以节约成本。[0019]由于有线传输方式的不足，监控系统的水下通信方式选择基于水声通信的无线通信方式，本发明采用UWM2000H型水声通信机，将通信机水上部分、水下部分分别与水下无线传感器网络定位模块5及主控制电路终端I采用RS232串口通信方式，而通信机水上部分、水下部分之间采用声纳通信。
[0020]如图4所示为系统监控终端的显示界面，视频显示窗口实时显示养殖现场环境，调节摄像头角度控制器可以实现全方位监测功能；移动监测平台定位显示窗口可以精确定位并显示平台在水下的位置，同时航行器控制器可以控制航行器的运动方向；信息显示窗口则实时显示传感器所获得的养殖环境参数；信息发送窗口则实现对电机等执行机构模块的控制；监控终端运用了数据库，将获得的养殖环境参数保存在数据库中，为用户提供历史数据的查询功能，并且能够通过历史数据分析掌握该水域的环境状况；同时监控终端增加了报警与短信提醒的功能，当从传感器获得的养殖环境参数超出系统设置的上下限时将会发出报警，并通过短信方式提醒用户。
[0021]对于本
【发明内容】
中，监控系统控制各模块间的通信，通过对接受指令、数据的处理形成相应的发送指令帧，发送指令的帧格式包括了帧头、指令数据段、CRC字段、保留字段和帧尾，如表1所示给出了协议各字段的内容，并且每个区域都采用低有效位在前、高有效位在后的形式；所述帧头为帧开始标志，预示一帧的开始，采用8个bit位10111111，指令数据段主要包括对相关控制模块的控制选择，如对视频监控模块12、执行机构模块14和水下移动监测终端6的控制；所述CRC是错误检测机制，检查数据的传输错误，采用16位的循环沉余检测；所述保留字段是为留作其它功能加入使用，留有2个字节；所述帧尾作为结束一帧的标志，采用8个bit位11111101。本发明中主要对指令数据段做了介绍，如表2所示。
[0022]表1
[0023]
【权利要求】
1.一种移动式深海养殖监控系统，其特征在于，包括主控制电路终端(I)、水声通信模块(2 )、远程主监控中心终端(3 )、远程3G手机监控终端(4 )、水下无线传感器网络定位模块(5)和水下移动监测终端(6);所述主控制电路终端(I)包括主控制电路模块(11)、视频监控模块(12)、3G通信模块(13)和执行机构模块(14)，所述主控制电路模块(11)的RS232串口通信端连接到视频监控模块(12)的RS232串口通信端，所述主控制电路模块(11)的RS232串口通信端连接到3G通信模块(13)的RS232串口通信端，所述主控制电路模块(11)的RS232串口通信端连接到执行机构模块(14)的RS232串口通信端；所述水声通信模块(2)为一水声通信机，所述水声通信模块(2)的RS232串口连接到主控制电路终端(I)的主控制电路模块(11)的RS232串口端；所述主控制电路终端(I)中的3G通信模块(13)与远程主监控中心终端(3)、远程3G手机监控终端(4)通过3G网络的方式相连；所述水下无线传感器网络定位模块(5)由多个水下无线传感器网络节点组成，水下无线传感器网络定位模块(5)的主节点(51)的串口输出端连接到水声通信模块(2)的RS232串口端；所述水下移动监测终端(6)包括传感器模块(61)、数据采集模块(62)、数据存储器模块(63)、水下调制解调器模块(64)、控制器模块(65)、电源模块(66)与水下航行器执行机构模块(67)，所述传感器模块(61)的输出端连接到数据采集模块(62)的输入端，数据采集模块(62)的输出端与数据存储器模块(63)的输入端相连，所述控制器模块(65)分别与数据采集模块(62)、数据存储器模块(63)、水下调制解调器模块(64)、电源模块(66)、执行机构模块(67)的端口相连；所述水下移动监测终端(6)集成于在水下自由航行的水下航行器中，所述水下无线传感器网络定位模块(5)中的各个节点与水下移动监测终端(6)之间采用水下无线通信技术实现通信。`
【文档编号】G05B19/418GK103491148SQ201310413581
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】王彪, 陈乐乐, 曾庆军, 朱志宇 申请人:江苏科技大学